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PLC的生命力

发布时间:2014-12-11 20:28 浏览次数:123    
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在自动控制领域中有一种长远的趋势,PLCDCS这些原来处于不同硬件平台的系统,正随着计算机技术、通信技术和编程技术的发展,趋向于建立同一硬件平台,运用同一个操作系统、同一个编程系统,执行不同的DCSPLC功能。这就是真正意义上的EIC三电一体化;或者说DCSPLC的形态将会变化,而它们的功能依然存在。这一进程需要多长,我们暂时还看不出明显的端倪。不过,随着PLCDCS相互渗透,二者的界限日趋模糊的时候,PLC从应用于传统的离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展,到底能走多远?这倒是值得注意。我们先从近几年来孜孜不倦地开发和发展过程控制用PLC系列的日本三菱电机公司的动向来分析。用于过程控制的MELSEC瞄准中、小规模的过程控制系统,包

括中、小型的批量控制系统。即在一般情况下,闭环调节回路不超过200个,监控位号(Tags)40005000个以下。由过程控制的MELSECDCS的比较来看,过程控制的 MELSEC可在DCS的中、低端,以低成本的方式取DCS而代之。这就是用于过程控制的MELSEC目前的定位。

在目前情况下,用于过程控制的MELSEC最好用作DCS的一种理想的补充,如DCS作为整个工程的监控、闭环控制和先进控制、与生产管理信息系统的联网通信,而用于过程控制的PLC用作辅助设备和分系统级的监控和控制;DCS作为大规模的模拟量的控制,而用于过程控制的MELSEC系统用于高速控制(高速顺控加小规模回路控制)DCS作为全厂运行的操作监控,而用于过程控制的 MELSEC作为回路控制、顺序控制和逻辑控制。

用于过程控制的MELSEC主要用于食品工业中的酿造、杀菌、灭菌和干燥过程,化工工业中的重整、蒸馏、干燥过程,精细化工工业中的调和、配比,钢铁工业中的原料混合、烧结、还原、分离工艺,有色金属工业中的电炉和融解炉控制,自来水厂的加药,造纸工业的造纸控制,环境保护工业的排水和污水处理、垃圾处理、焚烧,脱硫、灰处理等,半导体工业的加热炉、扩散炉、离子注入控制,船舶工业中的锅炉控制,塑料工业中的开卷和卷取等。还可以拿目前用于过程控制的PLCDCS在功能和性能等方面进行比较,这样,很容易得出以下结论:充其量PLC只能在连续流程的过程控制中占有一席之地,而决无可能取而代之。

二、从世界范围内看,PLC的应用领域近十余年一直在不断扩大。在日本,PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制,扩展到以下应用领域:中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统,以及与生活关连的机器、与环境关连的机器,而且均有急速上升的趋势。在我国,广大的自动化工作者早就把PLC用于电力、化工等以连续流程为主的工业过程中的辅助流程,如火力发电厂的水处理、输煤、灰渣处理,化工厂的原料输送、成品包装,近年来甚至有的火力发电厂(华能福州电厂1号机组)还在锅炉、汽轮机的控制系统尝试运用PLC。至于在自来水厂和污水处理厂应用PLC已成为常规方案。图3表示了这些趋势。

三、随着小型PLC功能大幅度提升而价格却在下降,随着现场总线的运用日趋普遍和成熟,随着有关功能块的国际标准IEC 61499(主要用于离散控制)IEC 61804(主要用于过程控制)相继出台,在机械制造行业这个PLC应用的老巢正在孕育和发展机械功能模块设计概念和技术。按照生产和工艺的要求,选择适当的各种机械部件,再将它们组合成机械系统或生产线,其实是沿用许久的方法。不过当人们把这些机械部件与控制器、驱动电动机及其传动系统组合,构成机电一体化的模块,而这些控制器所实现的控制功能块,又通过设备级的控制网络相互间联接成完整的控制系统,这显然是完成了一种飞跃。这就是最近几年兴起的真正意义上的机电一体模块化的制造技术。德国的菲尼克斯公司和美国的罗克尔自动化公司走在了前头。

把机械部件与它所要求的传感器、执行器、控制器(带通信网络的接口)和控制软件模块组合起来,形成一个子系统。再用这些预先完成工程设计和制作,并预先准备好完善的技术文件的子系统组合成客户所订购的机械设备或制造生产线。这种技术路线明显具有许多优点:a.在按用户的要求提供其独特要求的解决方案时,可显著地缩短工程时间。b.通过缩短系统的运输、安装和投运时间,加速产品投放市场的时间。c.通过建立在标准化的部件和预先调试好的控制程序的基础上的成熟子系统,向客户提供高可靠性的控制系统。d.在扩展或选用生产制造线时,降低了成本和风险。

机械部件自动化采用面向对象的编程理念和技术,通过上述的IEC功能块国际标准和统一模型化语言(UnifiedModeling Language)实现。具体的硬件可以是PLC,也可以是PC控制。这当然取决于控制算法及数据的复杂程度。一些新推出的小型PLC 就是针对这种需求开发的。如FX3N系列,自身可以作为CCLink/LT的主站,还有一定的运动控制功能。

四、我国的华能信息产业公司开发了以数据引擎为核心的控制组态软件系统PineControl,采用高端PLC为硬件平台替4)我国的华能信息产业公司开发了以数据引擎为核心的控制组态软件系统PineControl,采用高端PLC为硬件平台替代DCS系统,实现了对连续流程进行控制的完整技术,并成功应用于福州电厂两套从日本三菱重工引进的350 MW机组和山东白杨河电厂2×480 t循环流化床锅炉。最早的一套燃煤发电机组于2001年下半年投运,至今已安全可靠地运行了1000多天。这是一项非常有意义的突破和创新。在此基础上最近又完成了硬件平台的开发,即运用相同的控制组态软件系统PineControl,在另一供应商提供的高端PLC硬件平台上实现了相同性质的连续控制。

PineControl软件系统的组态工具是PineCAD,专为PineControl系统提供控制算法和逻辑组态的应用软件程序。它由4个部分组成:控制逻辑组态编辑器、控制过程实时监控器、P90 离线传送器和 P90 在线传送器。在PineControl系统的工程师站上,通过这4个功能模块可以构造出相应的组态数据,并通过计算机网络环境下载到分散的控制站,以实现DCS的组态功能。PineCAD提供60多种精选的控制算法、控制逻辑的功能块和4种数据处理过程的支持功能。在PineCAD中,控制回路的控制策略是用一组数据抽象表征。

PineControl系统中,数据引擎的概念是:一种按规范的数据结构来解释、驱动和重构数据关系的数据处理机制。这样就可以把目前用来表达控制规律和逻辑关系的图形和函数的组合,演变为特定的数据关系。据此,运用数据引擎进行分布式控制的工作机理就是,利用数据引擎分析数据关系的功能,实现按数据结构的拓扑关系驱动计算过程,并根据计算结果自行修正数据关系,从而完成控制任务。在分布式控制器中需要安装一种特殊的实事数据库,数据引擎的技功能设置在数据库的相关属性中。当PineCAD的组态数据形成并下载到该实时数据库时,每个功能块的状态就会在相应的数据引擎属性作用下发生特定的变化,从而实现规定的控制功能。数据引擎将这种功能块的计算过程与对应硬件控制器的原有计算指令系统予以隔离,这就是PineCAD的组态数据能够在不同的硬件平台应用的原因。

数据引擎取代了经典的DCS控制器的计算过程和计算方法。其主要运行内容包括以下方面:功能块计算流程管理,控制算法执行,功能块参数的在线修正,在线组态处理,功能块的在线监测、计算冻结,以及功能块的计算周期管理等。

研究和应用数据引擎技术的意义在于,它突破了目前各类工业控制装置(DCSPLC)之间控制算法和逻辑难以共享的限制,为PLC硬件平台进入中、大型连续过程控制领域创造了技术条件,进而消除长期以来形成的PLCDCS之间的技术壁垒和界限。可以设想,在数据引擎技术获得工业控制业界的广泛认同和支持的时候,DCS控制站就会像今天的PC机一样,品牌虽然不同,但操作系统和应用软件可以完全一致。这样,所有的工业控制系统的设计、调试和应用过程都将从中得到良好收益。在数据引擎技术的支持下,用户不必担心硬件平台的淘汰或者升级所带来的组态无效的问题,也无须在不同硬件平台上为开发相同的控制组态而付出大量重复性的劳动。虽然目前数据引擎的概念和技术还不曾为人们所广泛了解和认知,但它毕竟有了高起点,有了在大型火力发电机组成功应用的业绩,证实了这是一项大有前途的技术。可以预计将会有更多的自动化工作者深入了解、参与和发展数据引擎技术的开发和应用。

PLC的历史已有30多年。至今为止,用户企业已经积累了不少的硬件和软件资产。从用户的角度看,他们强烈地希望保护、用活这些资产,让它们发挥更大的作用。一个故障往往会使一台设备或一条生产线停产待修,甚至造成整个工厂停产。从这个意义上讲,维护是涉及到通过避免、减少和消除非计划停产时间,从而保存资产功能的大事情。从制造商的角度讲,只有更好地为用户提供所需要的服务,帮助用户有效地用活这些资产,才可能获得长期而又稳固的市场。因此,近年来在工业发达国家,维护管理和维护自动化的概念已提到议事日程。

我们在工作过程中深感重视维护管理和维护自动化的重要性。一个工厂如果十几年、几十年下来拥有几十套PLC控制系统已是很常见的事。但是值得注意的是对于它们的维护却很不尽人意。在许多企业中,由于管理不善或维护工作制度不健全,没有妥善集中保管PLC的技术文档资料、编程工具和软件,出了问题到处找人,影响生产交不了货。另外,由于传统的PLC制造业并未在国内形成气候和有规模的发展,因此目前在国内应用的PLC95%以上从美国、日本、德国和法国进口,机型很杂,型号很多,再加上从20世纪七八十年代至今,PLC已经历了三四次升级换代,而PLC的一个重要的特征是其极好的可靠性,许多投运十几、二十年的系统至今仍在正常工作。因此,PLC的维护存在相当大的问题。与此同时,还会面对企业在进行技术改造过程中常常会发生的问题,即一个老的PLC系统要和另一套DCS或一套新的不同公司的PLC进行通信。许多已经投运了多年的系统现在都面临着技术改造的问题,有些是因为扩容的需要,还有些则是要求增加联网通信的功能。在制定技术方案时必须提供原有系统的硬件配置和控制程序的资料,以及编程软件包。这些也都是护档案管理的问题。

什么是PLC维护管理自动化?维护管理自动化就是建立一个应用程序软件包,进行电子维护(eMainenance),在该软件包中利用数据库保存所有的PLC系统的主要技术文档、编程程序工具软件、PLC各种模块的技术规格和接线图、这些新旧模块的兼容性资料,再有就是维护管理和维护授权功能。这样,所有维护活动才能全部纳入这个维护管理自动化的控制中心软件包。作为维护管理及维护自动化的核心技术,最主要的如何利用数据库技术建立维护工作的基础文档资料,建立维护管理及其自动化所必要的软件模块:装置支持模块、计算机化维护管理服务模块、更改管理模块、状态监测模块、在线诊断模块、参考知识管理模块等。据了解目前具有这些功能的维护自动化软件包是美国罗克韦尔自动化公司2002年推出的维护自动控制中心软件包RSMACC。它是一个基于客户机/服务器的系统,专为集中储存、跟踪检查全厂的维护信息,以确保PLC设备的正常,并管理PLC系统的各种软硬件的更改。但它仅仅针对该公司的PLC,尚不适用于其他公司的PLC,也不完全适合于以PLC为基础的PLC 控制系统。

五、结论

就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言,PLC仍然处于一种核心地位。2004年出现在美国、欧洲和国内有关探讨PLC发展的论文中,这个结论是众口一词的,尽管对PLC的未来发展有着许多不同的意见。在全球经济不景气的时候,PLC的市场销售仍然坚挺;PC控制有了引人注目的进展,但毕竟只能对高端的PLC产品形成竞争;小型、超小型PLC的发展势头令人刮目相看;PLCPC控制在今后可能相互融合,PLCDCS的硬件平台也在实施合二为一。因此在美国有人提出了可编程序自动控制器(Programmable Automatic ControllerPAC)的新名词,GEFANUC推出了的新一代PLC就冠以了PAC的新型号。

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